I processi industriali portano alla dispersione nell’ambiente di elevate quantità di calore in forma di flussi caldi generalmente in forma liquida o gassosa. La possibilità di sfruttare questi cascami di calore rappresenta un interessante sfida per la ricerca che potrebbe essere affrontata mediante l’utilizzo di materiali termo- e piroelettrici, sia in forma massiva che in film sottili per la realizzazione di generatori di corrente. In particolare i materiali termoelettrici sono usati sia nel campo aerospaziale, come generatori termoelettrici a radioisotopi (REG), in applicazioni militari e si trovano in commercio dispositivi, quali le celle di Peltier, basati sul loro utilizzo (TEG). Un utilizzo su larga scala dei TEG richiede la realizzazione di componenti basati su materiali efficienti con bassi costi di produzione.

Le attività del WP1 sono quindi focalizzate sullo studio di materiali in forma massiva o di film con buone proprietà funzionali e basso impatto ambientale attraverso lo sviluppo e l’implementazione di tecniche di fabbricazione convenzionali e non a basso costo, sostenibili a livello ambientale e energetico e scalabili a livello industriale. Nel WP2 moduli esplorativi termo- e piroelettrici allo stato solido verranno progettati, testati e validati su scala di laboratorio. Nel caso di materiali termoelettrici, verranno studiate le interconnessioni tra i materiali attivi e verranno testati circuiti con differenti geometrie e architetture per la realizzazione di dispositivi di prova. All’interno del progetto si intende realizzare dei TEG con film sottili di materiali inorganici e ibridi a bassa potenza (nW-μW con differenze di temperatura di pochi gradi centigradi), adattabili alle caratteristiche dei diversi flussi di calore e con buona stabilità nell’intervallo di temperatura inferiore ai 200°C, e prototipi di generatori di basati su piroelettrici con componenti piro-ceramiche. I principali modelli, e alcune varianti, di generatori termoelettrici del tipo verticale e due materiali idonei alla loro realizzazione sono stati già individuati. Sono state studiate le reti termiche e le routine di calcolo correlate, al fine della realizzazione del progetto definitivo del sistema, in particolare in termini di configurazione geometrica per applicazioni a basse temperature. Sono state inoltre individuate varie tecniche di deposizione. L’architettura e le caratteristiche dei dispositivi piroelettrici da realizzare a partire da processi di stampa sono state selezionate al fine di realizzare microgeneratori a basso costo. Il progetto inoltre individua componenti piroelettriche e piroceramiche da includere nei dimostratori che verranno sviluppati.

I WP3 e 4 sono invece focalizzati su diversi aspetti dell’Additive Manufacturing (AM), con l’intento di integrare e dove necessario sostituire i processi produttivi tradizionali, quali quelli sottrattivi o di fonderia, per la realizzazione di componenti per applicazioni nel campo energetico. Nei processi additivi una delle sfide principali è rappresentata dai materiali. Alcune tecnologie particolarmente interessanti, quali la “Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM)” o la “Bound Metal Deposition” (BMD) permettono di realizzare componenti metalliche a partire da materiali compositi, generalmente polimeri caricati con particelle metalliche. Questi processi sono completamente differenti rispetto ai processi di stampa 3D di metalli quali quelli a letto di polvere o a deposizione diretta. Una parte delle attività del progetto sono volte a sviluppare dei materiali compositi con cariche metalliche per l’utilizzo in questi processi additivi, considerando sia l’aspetto dei leganti che quello delle cariche. Inoltre un impianto a plasma termico, verrà utilizzato per la sintesi di particelle per i processi di AM, da utilizzare come cariche per compositi e paste da depositare e per i processi a letto di polvere o deposizione diretta. E’ prevista la realizzazione di materiali compositi con nanoparticelle funzionalizzate, anche in forma di particelle core-shell. In sistemi di riscaldamento e refrigerazione basati sull’energia solare basati su cicli acqua-ammoniaca, sono presenti condizioni severe di lavoro che portano e forti sollecitazioni dei materiali. Il nichel e il rame sono fortemente affetti da fenomeni di corrosione in presenza di ammoniaca. Per questo motivo verrà progettata e realizzata una nuova lega, con dispersione di ossidi solidi e caratteristiche idonee ad un utilizzo in ambienti fortemente alcalini, per la realizzazione di scambiatori di calore mediante processi di AM. Uno degli obiettivi del progetto è la realizzazione di uno scambiatore di calore mediante stampa 3D per un suo utilizzo in macchine ad assorbimento. Inoltre verranno realizzati scambiatori di calore anche in materiale composito, polimero con micro- e nano-particelle, per applicazioni anche in campo domestico e per l’ottimizzazione del progetto dello scambiatore. Un’ulteriore attività di progetto prevede lo sviluppo di paste ceramiche stampabili con proprietà reologiche ottimizzate, opportunamente formulate per la stampa 3D ad estrusione di materiale ed  in particolare per il processo di “Liquid Deposizion Modeling” (LDM). Verranno ottimizzati sia la strategia di stampa che i trattamenti termici fino ad ottenere componenti sinterizzati, a dimostrare l’applicabilità del processo di stampa 3D ai ceramici avanzati. I componenti in ceramico avanzato saranno opportunamente progettati al fine di essere promettenti per l’incremento della temperatura di esercizio e quindi dell’efficienza dei sistemi di produzione di energia elettrica a partire da biomasse. Il progetto prevede anche lo studio di alcuni aspetti legati alla qualità dei componenti realizzati mediante AM quali la presenza di difetti. Questi possono infatti portare precocemente a rottura un componente con una enorme impatto sui processi energetici. E’ questo il caso delle turbine in impianti di produzione di energia. Nel progetto un approccio integrato che considera l’analisi microstrutturale, i test meccanici, le prove non distruttive e i test tribologici e di usura. Inoltre verranno affrontate nel progetto l’ottimizzazione dei parametri di processo per la stampa 3D di metalli mediante laser, la realizzazione di tubi di calore per la dissipazione del calore e la progettazione e realizzazione di turbine di tipo Pelton per impianti del tipo mini e micro-hydro.

Responsabili delle attività dei 4 WP:

WP1 - Dr.ssa Francesca Di Benedetto
WP2 - Dr.ssa Amelia Montone
WP3 - Ing. Daniele Mirabile Gattia
WP4 - Dr.ssa Federica Bezzi

QUI i risultati delle attività del progetto.

QUI i Rapporti Tecnici.